Energireduserende tiltak i Husarveien 26 Energisystemer

Transkript

1 Oppdragsgiver Kjetil Heltne SINTEF Byggforsk Oslo Forskningsveien 3b, 0373 Oslo Postboks 124 Blindern, 0314 Oslo Telefon: Telefaks: E-post: Internettadresse: Foretaksregisteret: NO MVA Trondheim Høgskoleringen 7b 7465 Trondheim Telefon: Telefaks: Oppdragsgivers adresse Husarveien Billingstad Oppdragsgivers referanse Kjetil Heltne Prosjektnr./arkivnr. Dato Rev.dato Antall sider Antall vedlegg Gradering Forfatter(e) 3B Åpen Prosjektleder Sign. Ansvarlig linjeleder Sign. Kvalitetssikrer Sign. Tor Helge Dokka Jørn Brunsell Catherine Grini Mads Mysen Oppdragsrapport Energireduserende tiltak i Husarveien 26 Energisystemer Kort sammendrag I tilknytning til NFR-prosjektet EKSBO Kostnadseffektive energikonsepter for eksisterende boliger er det ambisjoner om å oppgradere en eksisterende enebolig fra 1966 til lavenergistandard. Eneboliger ligger i Husarveien 26 på Billingstad (Asker kommune). Boligen hadde før tiltak et målt elektrisitetsforbruk på ca kwh/år (ca.130 kwh/m 2.år). Det ble ikke benyttet andre energiformer enn elektrisitet i måleperioden. Etterisolering, balansert ventilasjon og solvarme til tappevann er vurdert som realistiske tiltak for å redusere elektrisitets forbruk med 50%. Ytterligere reduksjon kan oppnås med en varmepumpe (uteluftvann), men dette tiltaket er ikke vurdert som realistisk på grunn av meget høy kostnad i forhold til energisparepotensialet. Aktuelle tiltak for å redusere energibruken ytterligere må fokusere på el-forbruk knyttet til lys og utstyr. Byggverkets adresse Byggeår Husarveien 26, 1396 Billingstad 1966 Metode Emneord Filnavn Beregning, Evaluering Småhusbolig, Varmeanlegg, Ventilasjonsanlegg, Sluttrapport Virkningsgrad, Elektrisitet, Energiforbruk Utdragsvis eller forkortet gjengivelse av rapporten er ikke tillatt uten SINTEF Byggforsks spesielle godkjennelse. Hvis rapporten skal oversettes, forbeholder SINTEF Byggforsk seg retten til å godkjenne oversettelsen. Kostnader belastes oppdragsgiver.

2 1 Bakgrunn Strategi ved valg av energitiltak Tilstand før energitiltak Bygningsteknisk beskrivelse Tekniske installasjoner Energibehov før energitiltak Energibruk med etterisolering Redusert energibruk til romoppvarming ved hjelp av ventilasjonsvarmegjenvinning Aktuelle løsninger Balansert ventilasjon Avtrekksventilasjon med avtrekksvarmepumpe Øvrige muligheter for varmegjenvinning av ventilasjonsluft Beregnet energibruk ved hjelp av ventilasjonsvarmegjenvinning Redusert elektrisk forbruk til oppvarming av varmtvann ved hjelp av solfanger Generelt om solvarme Solfangeranlegg Utforming og dimensjonering av solvarmeanlegg i Husarveien Beregning av oppvarmingsbehov som kan dekkes med solfangeranlegg Lønnsomhetsvurdering av energitiltak som dekker oppvarmingsbehov Oppsummering Reduksjon i elektrisk forbruk Diskusjon og videre anbefalinger Referanser Vedlegg... 20

3 SINTEF Byggforsk 1 Bakgrunn I tilknytning til NFR-prosjektet EKSBO Kostnadseffektive energikonsepter for eksisterende boliger er det ambisjoner om å oppgradere en eksisterende enebolig fra 1966 til lavenergistandard. Eneboliger ligger i Husarveien 26 på Billingstad (Asker kommune). SINTEF Byggforsk har tidligere utarbeidet to notater som går på energibruk i denne konkrete boligen. Se notat Energiberegninger før renovering av Husarveien 26 datert og Energiberegninger for Husarveien 26 datert , hhv. vedlegg 1 og 2. Videre er det utarbeidet befaringsnotater datert og samt et notat som beskriver bygningstekniske løsninger (Tekniske løsninger Husarveien 26, datert ). Hensikten med prosjektet er å komme fram til energitiltak som vil redusere boligens energibehov med 50%. Forsøksprosjektet omfatter planlegging, gjennomføring og evaluering av tiltak. (kfr. tilsagnsbrev fra Husbanken datert ) 2 Strategi ved valg av energitiltak Den vanlige strategien ved valg av energisparetiltak innebærer at man først reduserer behovet for energi mest mulig, og deretter sørger for at det resterende energibehovet kan dekkes opp av fornybar energi. Denne strategien kan illustreres ved den såkalte Kyoto-pyramiden (se Figur 1). Først reduserer man varmetapet fra bygningskroppen med kraftig reduserte luftlekkasjer, meget god varmeisolering, bruk av superisolerte vinduer og bruk av balansert ventilasjon med høyeffektiv varmegjenvinning. Sekundært forsøker man å utnytte passiv solvarme på en effektiv måte (mest vinduer mot solrik orientering). Til slutt velger man en energikilde og oppvarmingsløsning som er tilpasset det resterende oppvarmings-behovet. Det er også fornuftig å bruke lavenergi-belysning og -utstyr, samt ha et styringssystem som kan redusere ventilasjon og belysning når boligen ikke er i bruk, både for å redusere elektrisitetsforbruket, men også for å unngå overoppvarming. Strategien er nærmere beskrevet i veilederen Fremtidens energieffektive boliger en håndbok for planlegging av passivhus og lavenergiboliger (Dokka og Hermstad 2006). Velg energikilde Vis og kontroller energibruken Utnytt solenergi Reduser el-forbruket Reduser varmetapet Kyoto-pyramiden for passiv energidesign Figur 1. Kyoto-pyramiden for passiv energidesign.(illustrasjon: SINTEF og Husbanken). 3B0188 3:20 Oslo,

4 SINTEF Byggforsk For Husarveien 26 kan strategien uttrykkes som følger: Redusere varmetapet fra bygningskroppen (er gjennomført) Installere ventilasjon med høyeffektiv varmegjenvinning Beregne resterende oppvarmingsbehov (rom- og tappevannsoppvarming) Finne fornuftig energikilde og oppvarmingsløsning i forhold til resterende oppvarmingsbehov Følgende tiltak er gjennomført: tilleggsisolasjon av yttervegger i 1. etg., nye vinduer av type Nordan 3-lags superlavenergi og tilleggsisolasjon av tak med 300 mm isolasjon. Det som gjenstår er å vurdere balansert ventilasjon med varmegjenvinning og installasjon av solfanger for å dekke deler av resterende varmtvann- og romoppvarmingsbehovet (se tabell 6 i notat Energiberegninger for Husarveien 26 datert , vedlegg 2). 3 Tilstand før energitiltak 3.1. Bygningsteknisk beskrivelse For beskrivelse av bygningstekniske løsninger i Husarveien 26 henvises det til tidligere notater Tekniske installasjoner De tekniske installasjoner ble gjennomgått av huseier Kjetil Heltne og Mads Mysen SINTEF Byggforsk den I dag er det naturlig avtrekksventilasjon fra våtrom ved hjelp av tre sjakter over tak. Boligen har en kjøkkenvifte som tas i bruk når det lages mat. Boligen har et sentralvarmeanlegg med vannbårne radiatorer som ble installert i I tillegg er det elektriske varmekabler på bad og i entre/hall. Varmeavgivelsen skjer fra relativt store radiatorflater, som vil kunne dekke oppvarmingsbehovet med betydelig lavere vanntemperatur enn tidligere som følge av etterisoleringstiltak. Varmtvannsberederen er dobbelmantlet, koblet til oppvarmingssystemet med elektrisk ettervarme. Varmtvannsbereder, el-kasset og pumper er plassert i bad i kjeller. Bilde 1. Varmesentral plassert i skap i bad/sokkeletasje. Foto: Mads Mysen Beboer var svært fornøyd med funksjonen til oppvarmingssystemet sist vinter ( ). 3B0188 4:20 Oslo,

5 SINTEF Byggforsk 3.3. Energibehov før energitiltak Målt strømforbruk ligger på ca kwh/år. Enkle energisparetiltak er utført før energimåling: sparedusj, moderat/lav innetemperatur, nattsenking og stenging av radiatorer i rom som ikke benyttes som oppholdsrom. Forbrukstall for 2006 til 2008 (mail fra Kjetil Heltne ) viser at elektrisk forbruk ligger mellom 35 og 40 kwh/døgn i sommermånedene. Dette indikerer at de brukeravhengige verdiene (lys, utstyr og varmtvann) ligger mellom 35 og 40 kwh/døgn (tilsvarer til kwh/år). Vi ønsker å finne ut hva måling av kwh tilsvarer i et normalår fordi beregninger av energibehov ved bruk av energisparetiltak vil basere seg på et normalår. Huset ligger i Asker og klimadata for Oslo benyttes. Først må vi finne hvilken gjennomsnittligg innetemperatur skal benyttes ved graddagsjustering. Ut i fra opplysninger gitt av huseieren antar vi at gjennomsnittlig innetemperatur ligger på 15 C i oppvarmingssesongen (deler av underetasjen samt soverom holdes uoppvarmet). Ut i fra en gjennomsnittlig innetemperatur på 15 C beregner vi graddagstall i forhold til en innetemperatur på 12 C (Metoden forutsetter at de siste tre gradene dekkes av interne varmelaster). Tabell 1viser graddagstall og sammenlignbare energibehov. Tabell 1. Graddagstall opp til 12 C og sammenlignbare energibehov Graddager Normalår C Total målt. el.forbruk [kwh/år] ca ca El.forbruk til varmtvann, lys og utstyr [kwh/år] ca ca Målt romoppvarming [kwh/år] ca ca Graddagsjustert romoppvarming [kwh/år] ca ca Total graddagsjustert el.forbruk [kwh/år] ca ca ca Beregningen vi har foretatt ved et normalår og 15 C gjennomsnittlig innetemperatur i oppvarmingssesongen vises i Tabell 2. Energibehov til romoppvarming ( kwh) er i overensstemmelse med graddagsjustert romoppvarming vist i Tabell 1. Tabell 2. Beregnet el.forbruk før tiltak ved et normalår [kwh] Jan Feb Mar Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Des Totalt Romoppvarming Varmebatterier Vannoppvarming Vifter og pumper Belysning Teknisk utstyr Totalt energibehov B0188 5:20 Oslo,

6 SINTEF Byggforsk 4 Energibruk med etterisolering Tabell 3 nedenfor viser beregnet energibruk når etterisolering av yttervegger og tak, samt utskiftning av vinduene er gjennomført. Det benyttes naturlig ventilasjon i beregningen (ingen endring av dagens løsning). Det betyr at beregningen tar utgangspunkt i et luftskifte lik 0,3 luftskifte per time, noe som ikke er tilfredsstillende i forhold til forskriften. Når huset er blitt etterisolert og tettet, vil den utilsiktet ventilasjon bli betraktelig redusert. Å beholde naturlig ventilasjon frarådes fordi for lavt luftskifte kan føre til dårlig inneklima samt økt risiko for fukt- og råteskader. Om løsningen med balansert ventilasjon forkastes, anbefaler vi å ettermontere en vifte på toppen av hver eksisterende avtrekksjakt. Tabell 3. Energibruk med etterisolering, 0,3 luftskifte per time [kwh] OBS!!!IKKE FORSKRIFTMESSIG LUFTSKIFTE Jan Feb Mar Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Des Totalt Romoppvarming Varmebatterier Vannoppvarming Vifter og pumper Belysning Teknisk utstyr Totalt energibehov Redusert energibruk til romoppvarming ved hjelp av ventilasjonsvarmegjenvinning 5.1. Aktuelle løsninger Følgende løsninger er aktuelle: 1. Balansert ventilasjon med effektiv varmegjenvinning og ingen endring på oppvarmingssystem og varmtvannsbereder. 2. Avtrekksventilasjon med varmepumpegjenvinning som gir varme til varmvann og romoppvarming 3. Kombinasjon av 1 og 2. Videre blir løsningene beskrevet og utredet i forhold til energibruk og kostnader Balansert ventilasjon Viktige parametre ved valg av balansert ventilasjon Årsmidlere temperaturvirkningsgrad for varmegjenvinner og SFP er to parametere som karakteriserer hvor energieffektivt ventilasjonsanlegget er. SFP står for Specific Fan Power (spesifikk vifteeffekt) og er effektbehov til vifter delt på luftmengden som mekanisk ventilerer boligen. Krav til SFP skal bidra til at man velger energieffektive komponenter i et ventilasjonsanlegg (vifter og viftemotorer med høy virkningsgrad og kanalnett og ventiler med lavt trykkfall). Jo lavere SFP, jo bedre er anlegget. Byggeforskrift av 2007 krever årsmidlere temperaturvirkningsgrad over 70% og SFP-verdi lavere enn 2,5 kw/(m 3 /s). I dette prosjektet, med ambisjon å redusere energibehovet med minimum 50%, bør man vurdere enda mer energieffektive anlegg. Størrelse og utforming på ventilasjonsaggregatet påvirker SFP mest. En SFP ned mot 1,5 kw/(m 3 /s) er realistisk med standard komponenter, samtidig må man være klar over at mulighetene i et rehabiliteringsprosjekt begrenses av tilgjengelige føringsveier og mulige kanaldimensjoner. Flere roterende varmegjenvinnere har dokumentert temperaturvirkningsgrad over 80% og tilnærmet lik årsmidlere temperaturvirkningsgrad og temperaturvirkningsgrad. Andre typer varmegjenvinnere har sannsynligvis lavere årsmidlere 3B0188 6:20 Oslo,

7 SINTEF Byggforsk temperaturvirkningsgrad enn målt temperaturvirkningsgrad på grunn frostproblematikk og avrimingsprosedyrer. Varmegjenvinnere bør dokumenteres etter aksepterte standarder som NS-EN 308 eller NS-EN Anslått luftmengdebehov i Husarveien 26 Netto oppvarmet romvolum = 524m³ Netto oppvarmet gulvareal = 228m² Anslag luftmengde basert på volum (0,5 luftskifte per time) ,5 = 262 m³/h Anslag luftmengde minimum basert på våtrom/toalett: (10+3*15+10)*3,6=234 m³/h Anslag luftmengde maksimum basert på våtrom/toalett: (10+2* )*3,6=342 m³/h En ventilasjonsmengde på 250 m³/h er lagt inn i tidligere energiberegninger og foreslås beholdt som underlag for videre energiberegninger, men strengt tatt burde denne vært økt til 262 m³/h. Det må være mulig å forsere luftmengden ved bruk av baderom uten vindu fra ca. 54 til ca. 108 m³/h. Forsering skjer kun i korte perioder og vil i liten grad påvirke energibehovet. Forsering i kjøkkenhette er ikke medregnet Plassering av ventilasjonsaggregat og føringer Vedlegg 3 viser plassering av aggregat (grønn boks), tilluftsventiler (blå pil) og avtrekksventiler (rød pil). Aggregat kan plasseres på det lille soverommet inntil stuen i hovedetasje med luftinntak fra fasade. Bruken av rommet blir da endret fra soverom til teknisk rom. Kanalføring bør så langt som mulig integreres i himling ved planlagt ombygging (høyre del av boligen sett på plantegning), eventuelt kan kanalene føres under/i isolasjonssjiktet på loft. Teknisk utførelse blir da svært viktig med tanke på tetthet og isolasjon. Tilluftskanal kan føres rett ned i kjellerstue (integrert i vegg ved siden av peisløp er en mulig løsning). Kanalføring til soverom på plan 1 på venstre side av bygget er problematisk, og må løses sammen med leverandør av ventilasjonsanlegget ved detaljprosjektering. Kanal til soverom på høyre side forsøkes løst ved ombygging av denne delen i hovedetasjen. Videre overstrømning via bod/korridor til bad/wc. Det må velges tilluftsventiler med god egendempning og mulighet for regulerbart strømningsbilde. Et balansert ventilasjonsanlegg med nødvendige deler koster ca ,-kr. inklusiv mva. I tillegg kommer bygningsteknisk arbeid ved installering (Anslått til å utgjøre ,- kr. inklusiv mva i lønnsomhetsanalyse) Avtrekksventilasjon med avtrekksvarmepumpe Prinsipp Beboer ønsker å se på muligheten for avtrekksventilasjon med varmepumpegjenvinning. Figur 2 viser en prinsipiell løsning med mekanisk avtrekksventilasjon, friskluftinntak gjennom fasade og varmegjennvinning med avtrekksvarmepumpe. 3B0188 7:20 Oslo,

8 SINTEF Byggforsk Figur 2. Prinsippløsning med mekanisk avtrekksventilasjon (Kilde: NIBE AB). A: uteluften tas direkte inn gjennom fasaden. B: luften transporteres fra luftinntakene til rom med avtrekk. C: avtrekk fra kjøkken, våtrom og WC D: varmen fra avtrekket foredles ved hjelp av varmepumpe E. Avtrekksvarmepumpen varmer opp varmt tappevann og forsyner evt. vannbårent varmeanlegg. F: Avkast (lufttemperatur ned mot 2-5 o C) G: Separat avtrekk fra kjøkken Varmen i avtrekksluften kan gjenvinnes ved hjelp av en varmepumpe og brukes til tappevannsoppvarming og/eller romoppvarming. Figur 3 viser en prinsippløsning med avtrekksvarmepumpe. Avtrekksviften (1) trekker den brukte luften gjennom varmepumpens fordamper (2). Temperaturen på kuldemediet øker over kompressoren (3) slik at varme kan avgis til varmeanlegg eller varmt tappevann i kondensatoren (4). Kuldemedietrykket reduseres over ekspansjonsventilen (5). Figur 3. Prinsippløsning med avtrekksvarmepumpe (Kilde: IVT Industrier AB) 3B0188 8:20 Oslo,

9 SINTEF Byggforsk Figur 3 viser et system som gjenvinner varme ned til +4 C for å sikre seg mot frost. Ved -10 C vil et slikt system kun gjenvinne 54% av avtrekksluftenergien (mens roterende varmegjenvinner kan gjenvinne over 80% ved alle utetemperaturer). Avtrekksvarmepumper er lite brukt i Norge. I Sverige er dette den klart vanligste løsningen i småhus (i svenske leiligheter er det i praksis ikke krav til varmegjenvinning fra avtrekksluft så lenge leilighetene er tilkoblet et fjernvarmenett, Kilde: Magnus Everit Bra ventilation). Det finnes en rekke produkter og systemløsninger på det svenske markedet (se eller Løsningene leveres i skap (ca 60x60 cm 2 ) som inneholder varmepumpe og varmtvannsbereder. De enkleste løsningene leverer kun varme til tappevannsoppvarming. Besparelsen basert på erfaring er oppgitt til å være ca kwh per boenhet Mulighet for avtrekksvarmepumpe i Husarveien 26 Bruk av avtrekksvarmepumpe for huset i Husarveien 26 vil kunne brukes til oppvarming av varmtvann, evt til både oppvarming av tappevann og romoppvarming. Effektuttaket er begrenset til 1400 W (17*250/3), med maksimal temperaturdifferanse på 17 C (21-4) noe som i praksis betyr en temperaturvirkningsgrad på 41% ved -20 C. Utfordringen blir å samle avtrekkskanalene på et egnet sted for plassering av avtrekksvarmepumpen og integrere dette med eksisterende varmeanlegg med varmtvannssentral plassert i sokkeletasjen. En gjennomførbar løsning er å samle avtrekkskanalene på loft og føre disse ned igjen til teknisk rom. Det antas at dette må skje på loft. Mulig plassering for vertikale føringer er ved siden av peisveggen integrert i vegg mellom kjøkken/stue. Avtrekksvarmepumpe med kanalføringer koster ca ,- inklusiv mva. Dette inkluderer varmtvannsbereder, men ikke akkumulatortanker, eller ombygging av varmtvannsanlegget. Et rent avtrekksanlegg uten varmepumpe og bereder koster ca ,- inklusiv mva Øvrige muligheter for varmegjenvinning av ventilasjonsluft Det finnes løsninger som kombinerer løsninger beskrevet ovenfor. En mulighet er balansert ventilasjon med varmegjenvinning hvor varmen også kan brukes til andre formål, når det ikke er behov for ytterligere oppvarming av tilluft. Den gjenstående varmeenergien brukes til forvarming av tappevann året rundt. Forvarmingen vil kunne gi et temperaturløft fra 10 til 20 C, noe som kan dekke ca 15% av oppvarmingsbehovet til varmtvann. Eksempel på denne løsningen er Combi-aggregat eller Vanvex.aggregat fra Beam Østberg. For ytterligere informasjon om produktet, se: En annen mulighet er å hente ut varme med varmepumpe etter varmegjenvinner. Varmeuttaket blir begrenset fordi temperaturen etter en effektiv varmegjenvinning er svært lavt. Det vil ikke være lønnsomt å gå inn med en varmepumpe etter gjenvinner fordi den nyttbare energimengden blir så liten i forhold til de investeringene som må gjøres, samt at driftsmessig forhold kan bli problematiske i dette klimaet (kondens og nedising). Løsningen anbefales ikke Beregnet energibruk ved hjelp av ventilasjonsvarmegjenvinning For å oppnå lønnsom energireduksjon med så lavt forbruk i utgangspunkt er det viktig å velge de beste tekniske tiltakene. Når det gjelder valg av balansert ventilasjon, bør det være mulig å få en virkningsgrad på varmegjenvinner på 82% med kommersielt tilgjengelige produkter. SFP-faktorene 3B0188 9:20 Oslo,

10 SINTEF Byggforsk avhenger av trykkfallet i anlegget og hvilken virkningsgrad motor og vifte har ved aktuell driftstilstand. Ved rehabilitering er det utfordrende å oppnå tilstrekkelig kanaldimensjoner for å få lavt trykkfall gjennom kanalnettet. Enda viktigere enn kanaltrykkfallet er trykkfall gjennom aggregatet noe som i praksis betyr romslige aggregatdimensjon, eller overdimensjonert aggregat i forhold til tradisjonelle dimensjoneringskriterier. En SFP på 1,5-2,0 kw/(m³/s bør være realistisk med dagens teknologi uten at dette gir betydelig merinvestering. Balansert ventilasjon med varmegjenvinning på 82% og SFP på 1,5 kw/(m³/s) er lagt til grunn i vår teoretisk beregning av energibehov ved bruk av balansert ventilasjon. Gjennomsnittlig innetemperaturen settes lik 16 C ved beregning av energibehov. Et alternativ til balansert ventilasjon er avtrekksventilasjon der avtrekksvarmepumpe kan dekke mesteparten av tappevannsoppvarmingen (antatt 3000 kwh). Tabell 4 nedenfor viser en oppsummering av beregnet energibruk ved bruk av forskjellige ventilasjonsløsninger. Etterisolering av yttervegger, tak og vinduer er ivaretatt i beregningene. Løsningen avtrekksventilasjon uten varmepumpe viser energibruk i huset med kun avtrekksventilasjon og ingen varmegjenvinning av ventilasjonsluft, men med en luftskifte som tilfredsstiller forskriften (0,5oms/time). Tabell 4. Beregnet energibruk ved bruk av forskjellige ventilasjonsløsninger i etnormalår [kwh/år] Balansert ventilasjon Avtrekksventilasjon uten varmepumpe Avtrekksventilasjon med varmepumpe Romoppvarming Varmebatterier Vannoppvarming Vifter og pumper Belysning Teknisk utstyr Total energibruk Løsningen med avtrekksvarmepumpe mot tappevann viser et energibehov lik kwh, altså en høyere energibruk enn det som kommer fram ved bruk av balansert ventilasjon. Balansert ventilasjon gir bedre luftfordeling, temperatur- og trekkforhold enn avtrekksventilasjon. Vi anbefaler den løsning med balansert ventilasjon med en SFP på ca 1,5kW/(m³/s) og temperaturvirkningsgrad på 82%. Detaljene i løsningen må tas direkte med aktuelle leverandører. Det bør tas direkte kontakt med minimum 2 leverandører (Eksempel: Systemair ved Harald Vidnes og Exhausto ved Jon Jameson). 6 Redusert elektrisk forbruk til oppvarming av varmtvann ved hjelp av solfanger Energibruk til oppvarming av varmtvann kan dekkes med forskjellige energikilder, for eksempel solenergi (både termiske solfangere og solcellepaneler), varmpumpe mot jordvarme eller varmepumpe mot uteluft. I dette avsnittet vil vi se på muligheter til å dekke deler av varmtvanns oppvarming med solfangeranlegg Generelt om solvarme Figur 4 viser prinsipiell sammenheng mellom oppvarmingsbehov (rom tappevann) og solstråling. Storparten av romoppvarmingsbehovet for en lavenergibolig vil være i de 4 kaldeste månedene. I denne perioden er det lite solinnstråling. For lavenergiboliger og passivhus vil oppvarmingsbehovet være enda lavere, og begrense seg til de to kaldeste vintermånedene. Dette innebærer at det er lite potensial for utnyttelse av solvarme til romoppvarming for lavenergiboliger og passivhus i Norge. 3B :20 Oslo,

11 SINTEF Byggforsk Behovet for oppvarming av tappevann er imidlertid konstant over hele året, så her ligger det godt til rette for utnyttelse av solvarme. Oppvarming Tappevann Solinnstråling Energibehov i kwh/m 2 BRA jan feb mar apr mai jun jul aug sep okt nov des Solinnstråling i kwh/m 2 horisontalplan Figur 4. Månedlig energibehov til romoppvarming og tappevann (kwh/m 2 oppvarmet bruksareal) for en lavenergibolig (blokkleilighet) i Oslo. Total månedlig solinnstråling (på horisontalplanet) i Oslo er også vist Solfangeranlegg Prinsipp for solfangeranlegg Solfangeranlegg til oppvarming av varmtvann består av følgende hoveddeler: solfanger, varmelager (akkumulatortank), distribusjonssystem og styringsautomatikk (se Figur 5). Figur 5. Prinsippskisse av et solvarmeanlegg til oppvarming av forbruksvann (figuren viser ikke reelle forholdsmessige størrelser på tank, kjel, osv). Illustrasjon: Tibe-T. 3B :20 Oslo,

12 SINTEF Byggforsk Et varmelager er nødvendig for å ta vare på varmen i perioder hvor det ikke er solinnstråling, f.eks. om natten eller i overskyete perioder. Distribusjonssystemet består av rør og pumper som sørger for å bringe varmen fra solfanger til lager og forbruksstedet. I de fleste tilfeller er det også nødvendig med et automatisk styringssystem som overvåker anlegget og sørger for optimalt energiutbytte. Styringssystemet kan f.eks. gi beskjed om at pumper skal slås av og på avhengig av temperatur og solinnstråling. Det finnes flere ulike typer solvarmesystemer for oppvarming av varmtvann. Den vanligste typen er et såkalt indirekte system (Figur 6), dvs. at varmen fra solfangeren overføres til tanken via en varmeveksler. På denne måten kan man bruke et varmemedium i solfanger-kretsen som tåler minusgrader, f.eks. en vann/glykol-blanding. Varmeveksleren som overfører varme fra solfangerkretsen til lagertanken kan enten være plassert inne i tanken, eller utenfor tanken. Varmeveksling kan også skje via en mantel rundt tanken. Pumpen styres av en termostat og slås på når temperaturen i toppen av solfangeren er høyere enn temperaturen i bunn av tanken (med en viss margin for å sikre stabilitet). En tilbakeslagsventil brukes for å hindre at sirkulasjonen reverseres om natten med påfølgende varmetap fra solfangeren. Figur 7 viser et såkalt direkte system for oppvarming av varmtvann. Det varme vannet fra solfangeren går direkte i tanken uten å gå via en varmeveksler. Man har da vanligvis en ekstra varmtvannstank i tillegg til varmelagringstanken fordi man ikke ønsker å blande bruksvannet med vannet fra solfangerkretsen. Varmtvannsberederen kan være integrert i akkumulatortanken. Vannet må tappes ut av solfangerkretsen når utetemperaturen faller under frysepunktet. Den norske solfangerleverandøren Solarnor leverer et direkte system hvor vannet pumpes opp til toppen av solfangeren og renner ned og videre til tanken. Ved fare for frysing eller koking, stoppes pumpen, og vannet renner automatisk ut av solfangeren. lufteventil solfanger varmtvann styringsenhet varmtvannsbereder tilsatsvarme f.eks. el, bio, fjernvarme, varmepumpe, gass, etc. tilbakeslags -ventil pumpe ekspansjonskar kaldtvann Figur 6. Indirekte system for oppvarming av varmtvann.. 3B :20 Oslo,

13 SINTEF Byggforsk solfanger til varmtvannstank styringsenhet varmelager / akkumulator pumpe kaldtvann Figur 7. Direkte system for oppvarming av varmtvann Solfanger Solfangeren er selve hjertet i solvarmesystemet, det er her solstrålingen blir omdannet til varme. Det finnes flere ulike typer solfangere, f.eks. plane solfangere, vakuumrør-solfangere, parabol-solfangere og trauformede solfangere. Den plane solfangeren er den som tradisjonelt har vært mest brukt i bygninger. Etter hvert har også vakuumrør-solfangere fått en større andel av markedet. En typisk solfanger består av tre hoveddeler: absorbator, dekklag, og isolasjon. Ikke alle solfangere har dekklag og isolasjon, men alle har en eller annen slags absorbator. Absorbatoren er den sentrale komponenten i solfangeren, det er den som utfører arbeidet med å omforme solinnstrålingen til varme. Absorbatoren er ofte en tynn metallplate som er farget sort eller har en selektiv overflate. En selektiv flate absorberer en stor del av det synlige lyset (typisk rundt 98%) på samme måte som en sortmalt flate, men den emitterer (gir fra seg) mye mindre infrarød stråling enn en vanlig malt overflate gjør. På denne måten reduseres varmetapet fra solfangeren, noe som gir en mer effektiv solfanger. Et gjennomskinnelig dekklag blir ofte benyttet for å øke solfangerens effektivitet. Et dekklag er spesielt nyttig for solfangere som skal fungere effektivt i kalde og vindfulle værforhold. Dekklaget fungerer som en "varmefelle" ved å slippe inn den kortbølgede solstrålingen samtidig som det hindrer den langbølgede varmestrålingen fra å slippe ut. I tillegg beskytter dekklaget absorbatoren fra å bli nedkjølt. Vanligvis består dekklaget av glass eller plast. Varmetapet kan reduseres ytterligere ved å bruke dekklag med lavemitterende belegg eller transparente isolasjonsmaterialer. Tiltak som reduserer varmetapet fra solfangeren fører imidlertid ofte også til en reduksjon av transmisjonsegenskapene til dekklaget, og det blir derfor et avveiningsspørsmål hva som er den optimale kombinasjonen i hvert enkelt tilfelle. 3B :20 Oslo,

14 SINTEF Byggforsk Figur 8. Prinsippskisse for en plan solfanger. Illustrasjon: Tibe-T. Solfangerens virkningsgrad, η, er en viktig parameter. Virkningsgraden er definert som forholdet mellom utnyttbar varmeproduksjon fra solfangeren og den mengde solstråling som treffer solfangeren. Solfangerleverandøren vil kunne presentere kurver som viser virkningsgraden til solfangeren. Følgende forhold bidrar til høy virkningsgrad: lav inngangstemperatur til solfangeren dekklag med høy soltransmittans god isoleringsevne absorbator med høy absorpsjon og lav emisjon Det finnes flere ulike typer vakuumrørsolfangere. En type er basert på heat-pipe -prinsippet. En heatpipe solfanger inneholder et lite kopperrør med vakuum og en liten mengde væske. Pga vakuumet vil væsken fordampe ved lave temperaturer (rundt 30 C). Dampen stiger opp og treffer en varmeveksler i toppen av solfangeren, hvorpå den kondenserer, og varmen overføres på denne måte fra solfangeren til solkretsen. Heat-pipe solfangere kan ikke legges helt horisontalt, de må ha en viss helning (min 20 ) for å fungere. Figur 9. Til venstre: Prinsippskisse av en vakuumrør-solfanger med heat-pipe -prinsippet. Til høyre: Snitt gjennom en vakuumrør-solfanger med direkte gjennomstrømning.illustrasjon: Tibe-T. En annen type vakuumrørsolfangere har såkalt direkte gjennomstrømming (Figur 9, til høyre). Her strømmer varmemediet gjennom metallrør inne i vakuumrøret, og varmen overføres på tilsvarende måte som i en plan solfanger. 3B :20 Oslo,

15 SINTEF Byggforsk Vakuumrørsolfangere har høyere virkningsgrad enn plane solfangere ved lave utetemperaturer og liten innstråling, men de er som regel mer kostbare enn plane solfangere. Vakuumrør-solfangere kan ikke erstatte en vanntett taktekking på samme måte som visse typer plane solfangere. Det finnes imidlertid mange spennende måter å integrere vakuumrør-solfangere i bygningsstrukturen, f.eks. som altanrekkverk eller ulike fasade-installasjoner Varmelager Det finnes flere ulike typer lagertanker/akkumulatorer som er beregnet for solvarmeanlegg. En lagertank for solvarme skiller seg fra en vanlig varmtvannstank ved at den har en varmeveksler for tilkobling til solfangersystemet, samt at den som regel er noe større enn en vanlig tank. Et solfangersystem for oppvarming av forbruksvann til en familie på 4 bør ha en lagertank på minst 200 liter. Størrelsen og utformingen av tanken avhenger av varmebehov, solfangerareal, systemutforming og tilgjengelig plass i huset. To viktige parametere når det gjelder valg av tank er temperatursjikting og varmeisolering av tanken. Figur 10. Varmtvannstank RTV300VE fra OSO for tilkobling til solvarme (i bunnen) og gass (i toppen). Finnes i størrelser på 200 og 300 liter. Temperatursjikting i akkumulatortanken er viktig for at solvarme-systemet skal fungere optimalt. I en sjiktet tank er vannet varmest i toppen og kaldest nederst, og omrøringen i tanken er minimal. Jo høyere tank, desto bedre temperatursjikting oppnås. Vannet i bunnen av tanken bør være så kaldt som mulig fordi dette kobles til solfangerens innløpstemperatur. Solfangerens virkningsgrad øker med lavere innløpstemperatur. Det varme vannet i toppen av tanken tas ut som varmt tappevann. Tilsatsvarme fra el-kolbe eller en annen energikilde kobles til i øvre del av tanken. Det er viktig at varmtvannstanken har tilstrekkelig varmeisolering for å minimere varmetapet. Avhengig av temperaturen i rommet hvor tanken er plassert, bør tanken være isolert med minimum 5-20 cm mineralull el. annet materiale med tilsvarende isolasjonsegenskaper Distribusjonssystem og styringsautomatikk Vanligvis benyttes kobberrør eller stålrør i solvarmekretsen. Distribusjonssystemet må tåle det trykk og den temperaturgradient som det vil utsettes for, og ha god varmeisolering. I følge europeisk standard EN bør rørene ha en varmeisolasjon på minimum mm avhenging av rørdiameteren. Distribusjonssystemet innholder dessuten en rekke av andre komponenter som f.eks. sirkulasjonspumpe, termometer, manometer, ekspansjonstank, sikkerhetsventiler, partikkelfilter og ventiler for påfylling og uttapping av varmemedium. Disse komponentene er ofte samlet i en egen driftsenhet. De fleste solvarmesystemer vil være utstyrt med styringsautomatikk for å optimalisere energiutbyttet. En standard styringsenhet inneholder en enkel elektronisk innretning som slår av og på pumpen i solfangerkretsen basert på temperatur-differansen mellom lagertanken og solfangeren (typisk settpunkt 3B :20 Oslo,

16 SINTEF Byggforsk for på/av-kontroll er 5-8 C). Nye styringssystemer inneholder i økende grad også andre funksjoner som datalogging, feilsøking og grafisk display for visning energiutbytte, etc Utforming og dimensjonering av solvarmeanlegg i Husarveien 26 Ved planleggingen av solvarmeanlegget må sol- og skyggeforhold i området kartlegges for gunstig plassering av solfangere. Dimensjoneringen avhenger av mange ulike faktorer, hvor de viktigste parametrene er: solfangertype solfangerareal retningsorientering og helningsvinkel for solfangeren lagertankens størrelse og utforming rørlengde og isolasjon I tillegg vil faktorer som investerings- og driftskostnader, energipris, rentenivå, klimaforhold (soltilgang, temperatur), varmebehov, plassbehov og estetiske forhold spille inn på valget av solfangeranlegg. Et godt dimensjonert system vil kunne produsere kwh/m² solfangerareal i året. Lagertanken volum bør være på liter per m². I Husarveien 26 anbefaler vi ca. 4 m² solfanger-areal og en 300 liters tank for å dekke ca 50% av det årlige varmtvannsbehovet med solvarme. Vi anbefaler videre bruk av vakuumrørssolfanger med en optimal helningsvinkel på C fra horisonten, orientert mot syd. Lange og dårlig isolerte rørføringer vil kunne gi en betydelig reduksjon av energiutbyttet fra solvarmeanlegget. Grovt kan man si at å øke rørlengden fra 5 til 25 m gir 10% reduksjon av energiutbyttet. Utbyttet vil også være avhengig av utforming av rørføringene, om rørene går gjennom oppvarmet eller uoppvarmede rom, hvor stor andel av rørføringene som går utendørs, samt rørenes varmeisolasjon. Ved installasjon av solvarmeanlegg, bør man være spesielt oppmerksom på følgende punkter (sjekkliste): Plasser tank og solfangere, og legg rørene slik at rørlengden blir kortest mulig. Unngå å legge solfangerne i skygger fra bygningsutspring og andre bygninger, trær, o.l. Ta hensyn til avrenning av snø/vann, og ising. Rør mellom solfanger og tank bør helst legges med jevn stigning for å unngå at det dannes luftlommer. Alle komponenter (inkludert festematerialer, o.l.) må tåle det spennet i temperaturer, UVstråling og trykk som de vil utsettes for. Temperaturen i solfangerkretsen kan komme opp i over 100 C. Ta hensyn til at materialer utvider seg med stigende temperatur. Ta nødvendige sikkerhetsforanstaltninger ved installasjon av solfangere på tak og fasader. Sørg for at tak og fasader tåler de ekstra påkjenningene som installasjonen medfører. Sørg god tetting og isolasjon rundt rørføringer som går gjennom tak, vegger og gulv. Minimer antall gjennomhullinger av bygningskonstruksjoner. Generelt krever ikke solvarmeanlegg mye vedlikehold. Behovet for drift og vedlikehold vil variere noe avhengig av type og kvalitet på solvarmeanlegget. Aktuelle oppgaver kan være: Kontroll av trykk, luftinnhold og væskenivå i solfangerkretsen Kontroll av glykolinnhold Utskifting av glykolholdig varmemedium Kontroll og evt. rengjøring av smussfilter 3B :20 Oslo,

17 SINTEF Byggforsk Kontroll av ventiler, pumpe og gjennomstrømning Kontroll av at dekklaget er helt og at det ikke er tegn på fuktinntrenging Trykkprøving av ekspansjonskar Kontroll av alle deler for lekkasjer og rust Tømme/rengjøre lagertank Kontroll av temperaturnivå. Temperaturen på varmtvannet må holdes på minst 60 grader for å unngå Legionella. Endelig valg av solfangersystem samt nøyaktig dimensjonering bør foretas sammen med aktuelle leverandører Beregning av oppvarmingsbehov som kan dekkes med solfangeranlegg I henhold til leverandører av solvarmeanlegg er det mulig å dekke 50% av oppvarmingsbehov til tappevann med solfanger. Se også Planlegging av solvarmeanlegg for lavenergiboliger og passivhus En introduksjon, SINTEF Byggforsk, Tabell 5 viser energibruk ved bruk av balansert ventilasjon og solfangeranlegg til oppvarming av tappevann for et normalår. Tabell 5. Beregnet elektrisk forbruk ved bruk av balansert ventilasjon og solfangeranlegg til oppvarming av tappevann i et normalår [kwh] Balansert ventilasjon + solfanger til tappevann Romoppvarming 4755 Varmebatterier 0 Vannoppvarming 2600 Vifter og pumper 916 Belysning 3416 Teknisk utstyr 4380 Totalt energibehov [kwh] Tabell 6. Månedlig energibehov til romoppvarming ved bruk av balansert ventilasjon i et normalår [kwh] Jan Feb Mar Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Des Totalt Romoppvarming Tabell 6 viser at det er ingen oppvarmingsbehov til romoppvarming fra mai til sept og romoppvarmingsbehovet i april og oktober er beskjedent. Solfangeranlegget vil kunne dekke noe av oppvarmingsbehovet til romoppvarming i mars, april, oktober og november, men dette begrenses til en størrelsesorden på ca.100 kwh. (Se Figur 4 for solinnstråling i mars, april, oktober og november for Oslo klima). Vi anbefaler at solfangeranlegget kun benyttes til å dekke deler av varmtvannsbehovet. 3B :20 Oslo,

18 SINTEF Byggforsk 7 Lønnsomhetsvurdering av energitiltak som dekker oppvarmingsbehov Tabell 7. Lønnsomhetsvurdering av balansert ventilasjon Investeringskostnader (inkl mva) Kommentar Aggregat kr Kanalnett kr Bygningsmessig kr Sum investering kr Årskostnadsfaktor 0,065 Levetid 30 år, realrente 5% Årskostnad kr Driftskostnad kr 750 Årlig utgift kr Årlig energibesparelse kwh Årlig utgift/besparelse kr 0,78 kr/kwh Besparelse med balansert ventilasjon i forhold til dagens løsning med naturlig ventilasjon (med 0,3 luftvekslinger) blir rundt 2 kr/kwh. Tabell 8. Lønnsomhetsvurdering med solvarme til tappevann Investeringskostnader (inkl mva) Kommentar Solfanger inkl. tank * kr m 2 à 3.125,-kr Rør og isolering * kr Installasjon * kr Sum investering kr Tilskudd 20% kr Årskostnadsfaktor 0,065 Levetid 30 år, realrente 5% Årskostnad kr Driftskostnad kr 100 Energibehov pumpe Årlig utgift kr Årlig energibesparelse kwh Årlig utgift/besparelse kr 0,64 kr/kwh * Prisen er basert på et direkte system og basert på opplysninger fra Solarnor. Et indirekte system vil bli dyrere på grunn av flere komponenter og glykolbasert væskemedie. Det er også innhentet energireduksjonsberegning og kostnader for et anlegg som dekker oppvarmingsbehovet med uteluft mot vannbåren varme/tappevann som alternativ til solvarme. Et slikt anlegg kan redusere energibruken med 3490 kwh/år iht. leverandørens beregning (vedlegg 4). Kostnaden til et anlegg er oppgitt til ,-kr inklusiv m.v.a. og virker lite lønnsomt. Se Tabell 9. Tabell 9. Lønnsomhetsvurdering med varmepumpe (uteluft-vann). Investeringskostnader (inkl mva) Kommentar Inne og utedel kr Rør og isolering kr Installasjon kr Sum investering kr Årskostnadsfaktor 0,065 Levetid 30 år, realrente 5% Årskostnad kr Driftskostnad kr 500 Kompressorenergi går til varme Årlig utgift kr Årlig energibesparelse kwh Årlig utgift/besparelse kr 2,0 kr/kwh 3B :20 Oslo,

19 SINTEF Byggforsk 8 Oppsummering 8.1. Reduksjon i elektrisk forbruk Tabell 10 viser en oppsummering av tiltakene som er beskrevet i denne rapporten, og deres betydning for den totale elektriske forbruken i Husarveien 26. Tabell 10. Elektrisk forbruk ved forskjellige løsninger, samt reduksjon i forhold til referansen Løsning Energibruk Reduksjon Kommentar [KWh/år] [%] Før tiltak måling ca Kun el.forbruk ingen vedfyring eller annet varmetilskudd Før tiltak graddagsjustert energibruk ca % Basert på 0,3 luftskifte/time og gjennomsnittlig innetemperatur på 15 o C Med etterisolering og tettingstiltak, samt avtrekksventilasjon ca % Se Tabell 4 (Avtrekksventilasjon med 0,5 luftskifte/time) Med etterisolering og tettingstiltak og ca % Se Tabell 4 balansert ventilasjon Med etterisolering og tettingstiltak, ca % Se Tabell 5 balansert ventilasjon og solfangeranlegg til tappvann Med etterisolering og tettingstiltak, samt avtrekksventilasjon og avtrekksvarmepumpe ca % Se Tabell 4 (Avtrekksventilasjon med 0,5 luftskifte/time) Siste alternativ i Tabell 10 viser avtrekksventilasjon med varmepumpegjenvinning til tappevann. For dette alternativet er energibruken på ca kwh (reduksjon av energibehovet på 38%). Med denne løsningen er det ikke mulig å benytte solvarme til resterende varmtvannsbehov. Det er også innhentet energireduksjonsberegning og kostnader for et anlegg som dekker oppvarmingsbehovet med uteluft mot vannbåren varme/tappevann som alternativ til solvarme. Anlegget kan redusere energibruken med kwh/år i henhold til leverandørens beregning (vedlegg 4). Kostnaden blir ca ,- inkl mva i henhold til leverandør. Med et slikt anlegg, i stedet for solvarme, blir total el. forbruk på kwh, noe som innebærer en reduksjon på +52% i forhold til utgangspunktet på kWh/år. Besparelsen angitt av leverandøren er ikke kvalitetssikret Diskusjon og videre anbefalinger Energimålingene viser at energibruken i Husarveien 26 var ganske lav i utgangspunkt (ca 132 kwh/m².år). De nye energikravene for bygninger (TEK 2007) angir et energiramme for småhus lik /m² [kwh/år]. Med et oppvarmet bruksareal lik 228m² blir energirammen lik 132 kwh/m².år. Huset oppfylte energikravene i utgangspunkt. Det er derfor vanskelig å finne lønnsomme tiltak som reduserer energibruken ytterligere. Tiltakene som vurderes som realistiske, balansert ventilasjon og solvarme til tappevann, gir en energireduksjon på 50%. Samtidig vil boligen bli bedre ventilert enn tidligere og sannsynligvis ha en høyere innetemperatur i vinterhalvåret. Effekten av tiltakene er vurdert ut fra hva som erfaringsmessig er mulig å oppnå. For å komme ytterligere ned i energibruk anbefales mer energieffektive hvitevarer (A++-merket) og evt. mer energieffektiv belysning (LED-belysning) med styring. Vaner og bevissthet er viktige for energibruken, og det er mye lettere å endre atferd hvis man får jevnlige påminnelser om forbruket. Flere strømleverandører tilbyr timeavlesning. Det gir mulighet til å se betydning av for eksempel en lang dusj eller en stor middag for strømforbruket ditt. En får også sett hvor høy energibruk er i standby -modus (nattetid eller ferie) og om denne er nødvendig eller kan reduseres. Timeavlesning gir mulighet til å se enkelt hva som monner. Vi anbefaler huseieren om å ta kontakt med sin strømleverandør for å få vite om timeavlesning tilbys. 3B :20 Oslo,

20 SINTEF Byggforsk 9 Referanser Andresen I., Planlegging av solvarmeanlegg for lavenergiboliger og passivhus En introduksjon, SINTEF Byggforsk, 2008 Dokka og Hermstad, Fremtidens energieffektive boliger en håndbok for planlegging av passivhus og lavenergiboliger. SHC Task 28/ECBCS Annex 38: Sustaibable Solar Housing, Vedlegg Vedlegg 1: notat Energiberegninger før renovering av Husarveien 26 datert Vedlegg 2: notat Energiberegninger for Husarveien 26 datert Vedlegg 3: Plantegning med foreslått plassering av ventilasjonsaggregat og ventiler Vedlegg 4: Beregning fra ctc, sparepotensial ved bruk av uteluft-vann varmepumpe datert B :20 Oslo,